physics_mif

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Л. Г. Гаспарян

ОБЩАЯ ФИЗИКА

(Конспекты для студентов ФМИФ)

Нижний Новгород

2010

1

С методологической точки зрения в научной познании важное значение имеют анализ и синтез.

Анализ − ( от гр. анализис − разложение, расчленение, «разложить по полочкам», дробление) − метод научного исследования, состоящий в мысленном или фактическом разложении целого на составные части. Изучая и открывая закономерности более простых составных частей целого, в последствии можно обобщать эти результаты при помощи синтеза.

Синтез − ( от гр. синтезис − соединение, сочетание, составление) метод научного исследования какого-либо предмета, явления, состоянии в познаний его как единого целого, в единстве и взаимной связи его частей: обобщение, соединение.

Изначально физикой (происходит от древнегреческого слова «physis» - «природа») называлась всякая наука о Природе: в ту эпоху не существовало современного разделения научного знания на отдельные отрасли. Недаром знаменитый древнегреческий мыслитель, наставник Александра Великого, Аристотель (IV в. до н. э.) свое энциклопедическое сочинение назвал «Физикой». Этот фундаментальный труд содержал все имевшиеся к тому времени сведения о природе (знания по геометрии, астрономии, земледелию, медицине, ботанике и т. д.). Таким образом, первоначально физика включала в себя все естественные науки, которые потом со временем выделились из физики и составили отдельные отрасли науки. Сейчас под физикой подразумевается

наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих свойствах и закономерностях материального мира: о существующих формах материи и ее строении, о взаимодействии различных форм материи и их движении

(механические, тепловые, электромагнитные, гравитационные, атомные, ядерные и др. процессы). Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Под существующими формами материи подразумеваются фундаментальные и элементарные частицы (кварки, электроны, протоны, нейтроны и др.), совокупность небольшого числа этих частиц (атомы, ионы, молекулы), физические тела (твердые тела - кристаллы, жидкости, газы и т.д.), физические поля (гравитационные, электромагнитные и др.).

Поэтому физика основа других наук.

Помимо этого, физика позволяет нам:

∙Лучше изучать и понять другие науки;

∙Иметь достоверное представление об окружающем мире и правильное мировоззрение;

∙Иметь полезные, практические знания (примеры, кипятильник, за-

рядка фотоаппарата, колба под Солнцем и др.).

Иными словами, физика изучает закономерности взаимодействия в неживой природе (граница между живым и неживым, по видимому, проводится весьма резко благодаря огромному объему информации заложенному в каждом живом объекте, так что нет основании считать это деление искусст-

3

венным). В современной физике все эти взаимодействия сводятся к четырем типам фундаментальных взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

1.Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения физическим телам и частицам, проявляясь в виде сил всемирного тяготения (силы гравитации). Однако из-за малости масс элементарных частиц оно в микромире несущественно (хотя может быть существенным при колоссальных энергиях ~1022Мэв, которые соответствуют сверхмалым расстояниям ~10−35 м).

2.Электромагнитное взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем, характерно для всех элементарных частиц или физических тел, которые имеют электрические заряды. Оно, в частности, ответственно за существование атомов и молекул (электроны на орбите вокруг ядра удерживаются кулоновскими силами, которые ~1040 раза превосходит силы тяготения).

3.Сильное (ядерное) взаимодействие обусловливает связь прото-

нов и нейтронов в ядрах атомов и действует на малых расстояниях порядка размеров ядра (10−13 см). Радиус их действия ~10−15 м. В микромире сильное взаимодействие в среднем ~100 раз превышает электромагнитное взаимодействие, в 1014 раз – слабое и 1039 раз – гравитационное.

4.Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаи-

модействие частиц в некоторых процессах распада ( β − распад, μ − распад). Радиус их действия ~10−19 м.

Чтобы обнаруживать и изучать закономерности физики, необходимо установить удобные физические величины.

Физическая величина – характеристика одного из свойств физиче-

ского объекта (физической системы, явления или процесса), общая в каче-

ственном отношении многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Совокупность наименований (названий) физических величин (терминов) называется терминологией, которая для каждой отдельной области науки или отраслей производства может быть своя (например, оптическая терминология, медицинская терминология и т.д.). Создание специфической терминологии оправдано тем, что в ходе развития науки и техники (а этот процесс в какой-то мере стихийный) одна и та же физическая величина получила не одно наименование, имела не один термин, а несколько (терминысинонимы) и наличие терминов-синонимов у физических величин серьезно затруднял научное общение ученых разных стран.

В отличие от математических величин, физические величины могут быть не только скалярами и векторами, но, и иметь единицы измерения или быть безразмерными (рис.2). Кроме этого, физические векторы отличаются

4

от математических векторов тем, что кроме величины и направления вектора, имеют еще и точку применения физического вектора.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Рис.2

Определяя численные значения физических величин во время эксперимента, можно найти определенные связи между ними. Для этого необходимо во время таких экспериментов провести измерения нужных физических величин. Чтобы измерить физические величины, надо сначала выбрать едини-

цу измерения. Единица измерения физической величины - физическая

величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.

Единицы измерения могут выбираться произвольно и независимо друг от друга, но для удобства выбирают некоторые основные единицы измерения. Остальные же единицы измерения, как производные, выводятся из законов и формул, связывающих эти величины и их единицы с основными физическими величинами. Некоторые производные единицы для удобства имеют собственные название, например единица измерения силы, определяемая из второго закона динамики (1кг·м/с2), называется ньютоном (Н).

5

Совокупность основных и производных единиц измерений составляет систему единиц. В настоящее время утверждена и обязательна к применению Международная система единиц измерения, так называемая Система Интернациональная (СИ), куда входят 7 основных и 2 дополнительных единицы (см. табл.1)1.

Размерность физических величин – это выражение физических вели-

чин в основных единицах измерения. В полученных закономерностях и со-

отношениях размерность обеих частей физических равенств должна быть одинаковой. Это помогает составить правильную формулу или проверить её, а иногда глубже уяснить физический смысл формул.

Например, из закона Бойля − Мариотта для изотермических газовых процессов: pV=const при T=const [pV]=(Н/м2)м3=Н·м=Дж, вытекает, что для данной массы газа при T=const давление газа p изменяется обратно пропор-

ционально объему V. Но из размерности выражения [pV] видно более глубо-

кий физический смысл этого закона: при изотермических процессах внут- ренняя энергия газа остается неизменной.

Вэкспериментах получают различные соотношения и связи между физическими характеристиками. Часто это прямые или обратные пропорциональные соотношения, от которых, воспользовавшись коэффициентами пропорциональности, можно перейти к равенству. Выбор коэффициента пропорциональности зависит от системы единиц измерения.

Вфизической формуле коэффициент пропорциональности можно принимать равным единице, если по этой формуле устанавливается единица измерения хотя бы для одной из физических величин, входящих

вданную формулу.

Если же все физические величины, входящие в данную формулу, уже имеют единицы измерения (установленные по другим физическим соотношениям), то коэффициент пропорциональности нельзя выбирать произвольно (в частности, приравнять 1). В этом случае численное значение коэффициента определяется опытным путем. Так, во втором законе динамики (F=ma) единица измерения силы определяется именно из этого соотношения (1 Ньютон=1кг·1м/с2), поэтому здесь коэффициент пропорциональности можно принимать равной единице. В законе гравитации или в законе Кулона (§6.2) все физические величины, входящие в эти соотношения, в СИ уже имеют единицы измерения, определенные из других формул, поэтому там коэффициенты пропорциональности определяются опытным путем2.

При рассмотрении различных физических задач используют различные физические модели.

1В 1889-1960гг единицей длины (метр) служил эталон из платиново-иридиевого сплава, равный 10−7 части половины Парижского меридиана, проходящий через Нотр-Дам де Пари (Собор Парижской Богоматери).

2Заметим, что в системе единиц СГСЭ единица измерения заряда устанавливается именно по формуле Кулона, поэтому в этой системе единиц коэффициент пропорциональности в формуле Кулона принимается k=1.

7

Физическая модель – упрощенная и абстрактная имитация реального процесса или объекта, которая, отвлекаясь и не рассматривая второстепенные и «мешающие» факторы, тем не менее сохраняет суть эксперимента. Такое представление реального явления облегчает решение задач и обычно дает результаты, которые удовлетворительно применяются на практике.

Примеры физических моделей:

∙Материальная точка – тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Заметим, что одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в иных задачах это недопустимо. Если исследуется движение Земли вокруг Солнца, то в таких задачах и Землю и Солнце можно представить как материальную точку, так как их размеры гораздо меньше расстояния между ними. А в задачах, где рассматривается движение тел на поверхности Земли или используется вращение Земли вокруг своей оси, пренебрегать размерами Земли нельзя и недопустимо представлять Землю как материальную точку.

∙Абсолютно твердое тело – тело, которое ни при каких условиях не деформируется и при любых взаимодействиях расстояние между любыми его двумя точками (двумя частицами) остается постоянным.

∙Точечный заряд – такие заряженные тела или частицы, размеры которых малы по сравнению с расстояниями до других заряженных тел, с которыми они взаимодействуют. На рис.3 схематически показано, в каких случаях электрические заряды можно считать точечными, а в каких случаях – нет.

∙ Примером моделирования процессов может служить изучение движения физических тел без трения и сопротивления или колебания математиче-

ского маятника, а также процессы, протекающие в идеальном газе.

Отличие физики от других наук: например, от истории. В обеих науках мы пытаемся анализировать события, ситуации, рассматривая их причины и следствия. Но в истории определенная последовательность исторических событий происходит только один раз. Не имеет смысла восстанавливать историю, например, предполагая, что Александр Македонский не умер в молодом возрасте, или каким было бы исход войны 1812г., если Кутузов повернул свое войско не на юг от Москвы, а на север, или при Сталинградском битве победили не мы, а немцы. В физике же эксперименты обычно можно многократно повторять, изменяя его условия. (исключение, пожалуй, составляют часть астрофизических наблюдений).

8

Гл. 1 М Е Х А Н И К А

Никаким количеством экспериментов доказать теорию нельзя, но достаточно одного, чтобы ее опровергнуть Эйнштейн

Материей в широком смысле слова называется все, что объективно существует независимо от человеческого сознания в природе (Вселенной) и может быть обнаружено человеком посредством органов чувств или с по- мощью специальных приборов.

Неотъемлемым свойством материи является движение, под которым следует понимать все изменения и превращения материи, все процессы, протекающие в природе. Таким образом, все объективно существующее представляет собой различные формы существования и движения материи.

Простейшим видом движения материи является механическое движение, закономерности которого изучает раздел физики под названием меха-

ника.

Механика − часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие эти движения.

М Е Х А Н И К А

Раздел механики, изучающий движение тел, не рассматривая причин, которые это движение обуславливают, называется кинематикой (от греческого слово «движение»). Раздел механики под названием динамика (от гре-

10